基于微程序控制器的简单计算机系统设计与实现

该文档详细介绍了基于微程序控制器的简单计算机系统设计与实现，以华中科技大学计算机科学与技术专业学生朱胜本的课程设计报告为例。设计项目的核心内容包括软件设计中的机器指令和微程序设计。 软件设计部分 3.1 机器指令设计 该设计采用了定长指令，每条指令由8位组成，分为低4位操作码和高4位操作数地址或操作数。原始计划支持立即数寻址，但由于硬件限制（16位控制信号不足），最终只保留了直接寻址、隐含寻址和寄存器寻址三种方式。例如，LOAD指令通过直接寻址加载数据，SAVE指令则通过隐含寻址保存数据到某个寄存器。 3.2 微程序设计 由于指令集简单，微程序设计也被精简。微指令与标准设计不同，没有顺序控制字段，每个指令对应一条微指令，且仅包含一个微命令。微命令存放在控存中，通过操作码选择来确定输出的微命令控制信号。这样的设计减少了复杂性，适应了实验中指令执行周期固定为一个周期的情况。 硬件设计 - 运算器(ALU)：负责基本算术和逻辑运算。 - 存储器(MEM)：存放数据和指令。 - 地址计数器(PC)：用于生成指令地址。 - 指令寄存器(IR)与控制存储器(Cache)：存储当前指令和微指令控制信息。 - 时序逻辑电路：管理各个部件之间的时序协调。 详细设计与实现 - 选用芯片：选择适合的芯片来构建各个部件，如运算通路、地址寄存器、存储器等。 - 硬件原理图：展示了硬件组件的具体连接和工作原理，包括运算通路、地址和数据总线、存储通路等电路设计。 - 软件实现：编写机器指令系统，并设计微指令，明确控制点、微指令格式以及微指令与周期、节拍的关系，为每条指令设计对应的微程序。 实验过程与技巧 - 实验步骤包括实验进度规划、硬件检测、芯片连接、数据通路调试、主存和控制存储器编程、时序电路设置、单步和连续执行以及问题解决策略。 在整个设计过程中，学生不仅锻炼了硬件设计和软件编程能力，还深入理解了计算机组成原理，包括指令集架构、微程序控制以及系统时序管理等关键概念。这份报告是对理论知识实际应用的一次全面检验，展示了在实际项目中的实践经验。